抢险救援车仪器布置设计与优化

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人机工程学是运用现代科学的理论和方法，以人为主体，研究人-机-环境系统中各元素相互协调、相互配合的规律，最终求得人机环境整体系统最优化的-门学科。随着计算机硬件的发展，美国等发达国家开发研制了许多基于人机工程学的计算机辅助设计软件，这些软件被广泛应用于飞机、汽车驾驶舱和各作业空间的仿真分析与设计过程，极大的提高了相关产品的舒适性和可靠性。优秀的人机分析软件包括美国空军的 Combiman、美国EDS的JACK和德国的Ramsis等，其中，JACK在虚拟人体与虚拟环境匹配的动作分析应用上十分有效l1。

关于计算机辅助人机工程仿真分析方面的研究，国内外专家都给予了较为充分的关注，其中文献回系统地介绍了几种常用的计算机仿真人机工程分析虚拟人模型；在文献13]中，迈阿密大学的某教授通过虚拟仿真，研究了人机工学干预下的操作者肌肉、关节、心理及视觉上的变化；在文献I41中，作者系统地研究了坐姿操作者的姿势和视线的关系，并结合底下采矿的铲运车辆进行了验证；此外，文献日提出了-种针对战斗机驾驶舱的JACK人体建模与人机工效分析方法 ；文献 f究了JACK中的碰茁真算法，并将其应用于虚拟维修过程；文献171系统研究了JACK中虚拟人抓握仿真过程中所遇到的问题；文献 利用JACK对车载炮装填过程进行了仿真，并提出了优化方案等。

在以上研究的基础上，针对抢险救援车仪器舱的使用背景和设计特点，提出了-种基于JACK的适合于抢险救援车车载仪器、设备布置的仿真分析与优化设计思路，以提高操作者取放仪器、设备时的舒适性和便捷性，给救援人员提供-个舒适 、安全、省力的操作环境，为抢险救援任务的顺利完成提供保障。

2研究框架JACK属于EDS下 e-factory解决方案中的产品，在 体测量、虚拟现实、姿势预测、舒适性评价、可达性分析、下背部脊柱受力分析、强度预计、举升分析、快速匕肢评估、预定义的时间分析、新陈代谢能量消耗、人工处理限制、疲劳版复时间分析、工作姿势分析领域优势明显，被许多大公司和教育科研机构采用。如 NASA Ames中心用它仿真直升机飞行员任务，Army Research Ofice人类工程学实验室用它评价车辆驾驶员的可达性、舒适性、力量、工作负荷来稿日期：2012-10-16基金项目：陕西科技大学博士科研启动项 目(BJ12-07)作者简介：王伟伟，(1983-)，男，山西长治人，博士，讲师，硕士生导师，主要研究方向：数字化产品设计52 王伟伟等：抢险救援车仪器布置设计与优化 第 8期及驾驶员的协作 ，美国科学基金会用它产生人体动画，考察路径选择 、避开障碍等。基于 JACK的抢险救援车仪器布置设计与优化主要涉及到运动仿真、可达性分析与舒适性评价等内容，具体研究内容及框架，如图 1所示。

虚拟消防员人体模型虚拟抢险救援车仪器舱平台二[ I模型导出l 抢险救援车数字模型建立r1 查坌堑亵差H动态分析 H 舒适性分析其它辅助分析图 1研究框架Fig 1 Research Framework由图 1可知，为了完成分析任务，首先需要建立抢险救援车的数字模型，并将其导人到 JACK平台中，并依据具体的分析任务设定仿真环境，这两项T作是分析的基矗具体到抢险救援车仪器舱的特点，共需要进行静态分析和动态分析两项大的任务，在静态分析过程中可以得到操作者在极端姿势下的可达性数据；通过动态分析可以进行运动仿真，并完成重复动作下舒适性的分析；此外，还可以进行任意姿势下的力和力矩分析及疲劳恢复分析等，进而为抢险救援车仪器舱的设计与优化提供科学依据。

3运动仿真环境设定运动仿真是人机T效分析的基础，为了得到相对科学的分析数据 ，首先要对运动仿真环境进行-定的设置，具体到抢险救援车仪器布置设计，需要设定的重点包括。

3.1优化对象建立优化对象即包括抢险救援车仪器舱本身，同时还包括仪器舱中的各种仪器。由于JACK软件本身的欠缺，故仪器舱及相关仪器的数字化模型需要在其他工程软件中完成 ，然后冉用 wrl格式倒人到JACK中，常用的建模工具包括：Carla、UG、Pro/E等。在数据倒人过程中，需要注意：(1)若将模型的装配体整体导入后将会是-个整体，无法分类 ，故需要将组成装配体的零件模型单独倒人；(2)为了保证零件导人到JACK中的空间位置信息，不能够单独打开倒人某个零件 ，而应在装配体中将每个零件导出；(3)由于在进行舒适性分析时需要给人体添加载荷，因此需要设定人要搬动或拿起的物体的重量等。

3.2目标操作者人体模型设定JACK中的人体建模主要包括了 26项人体测量数据，涉及了5个类别的人体结构尺寸，具体如图2所示。

在 JACK中建立的人体模型不可能使所有数据满足符合实际需求，需要对数据进行-定的修正。但由于抢险救援车的目标操作者为消防官兵，因此可以依据我国男性军人人体尺寸国家军用标准(GJB4856-2003)中武装警察的人体尺寸数据，建立 1%、5%、50%、95%、99%不同百分位上，共 5个我国男性类消防官兵的人体模型，并可以在 Human的 Create选项中调用。

图2 JACK中的人体模型Fig.2 The Human Body Model in JACK3.3运动坐标系匹配计算在运动仿真时，首先要解决是运动坐标系匹配的问题，即将目标操作者的动作转化为JACK中的动作。其中得到目标操作者动作的常见方法有：(1)在 目标操作者执行相关动作的过程中，利用动作捕捉系统获取其运动轨迹；(2)利用多媒体技术多次记录目标操作者的操作过程，然后通过对比分析视频文件近视得到其运动轨迹。相比较方法(1)，方法(2)虽然精度较差，但成本低廉，不需要过于精密的仪器辅助和经费投入，且效率较高，故常用于人机功效的快速分析。具体做法为：首先通过视频文件分析，确定真实动作时的相关关节上的局部固定坐标系；然后将局部坐标系转换为世界坐标系，以实习虚拟运动仿真。具体步骤为：(1)旋转轴O/角度使得 与 的投影相平行 ；(2)平移 a，b，c)使两个坐标系的原点重合；(3)旋转 l，轴口角度使 y与 y 轴重合；(4)旋转Z轴 角度使 z与 轴重合。转化公式为：F KF (1)讣 0 10 l1cosfl 0 sinfl 0O l 0 0- sinfl 0 cosfl 00 O 0 1××(2)4 JACK仿真优化设计4.1可达域分析各个仪器应该按照各自的重量和尺寸设置在消防员的舒适域内，可达性分析主要针对的是仪器舱仪器架的尺寸和排列方式。JACK软件的可达性分析拈可以根据选取适当的参考点生成单手或双手的可达域。第 50百分位的左手可达性分析图，如图3所示。

结果表明，对于第 50百分位的消防员借助踏板能够轻松够到仪器。若将人体模型换成第 95百分位模型，位置条件和关节角度取值，仍按上述结果选柔果显示对于第95百分位的左手借助踏板能勉强够到左上角的仪器，这时需要输入踏板的调节量。

当踏板上调 90ram时，第 95百分位的左手能得到良好的可达域，故踏板应设计为可调。

-0 6 0 l O O 1 0 O O 0 y 0 O 0 . Ⅲ O 01 O O 0 y y ， ∞ O 00.Ⅱ 瞎0 痢0 吣 o C Sl O O 0 ×0 0 C l 0 0 1 0 O 0 O l 0 O 0 56 机械设计与制造NO.8Aug.201 3图3后扭力梁的模态试验Fig.3 Modal Test of the Rear Torsion Beam通过对后扭力梁模态试验的数据进行处理，分析得到了后扭力梁自由模态中的前十阶固有频率，如表2所示。采用有限元方法对后扭力梁进行有限元模态分析，得到后扭力梁前十阶固有频率，并与模态试验测试得到的固有频率进行对比，如表 3所示。

通过对比可知，采用优化后方案测得的后扭力梁的模态参数与有限元分析的结果误差较小，该方案具有较高的准确性。

表 2后扭力梁前十阶固有频率Tab.2 The First Ten Natural Frequenciesof the Rear Torsion Beam表3后扭力梁前十阶固有频率Tab.3 The Comparison of First Ten Natural Frequencies5结束语(1)介绍了模态试验法在汽车后扭力梁上的应用，对模态试验中悬挂部位、传感器的选择及布置、测点的布置等关键问题提出了要求。

(2)合理布置振动响应点，在保证试验准确性的前提下提出了较为优化的汽车后扭力梁模态分析测试方法。

(3)将优化后的模态试验方法在汽车后扭力梁结构上进行应用，测得后扭力梁的前十阶固有频率。经与有限元分析结果对比，误差在 6%范围内，表明了该实验方法的准确性较高。